JPH07307140A - Mass spectrometer and ion source - Google Patents

Mass spectrometer and ion source

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JPH07307140A
JPH07307140A JP7058527A JP5852795A JPH07307140A JP H07307140 A JPH07307140 A JP H07307140A JP 7058527 A JP7058527 A JP 7058527A JP 5852795 A JP5852795 A JP 5852795A JP H07307140 A JPH07307140 A JP H07307140A
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ion beam
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清美 ▲吉▼成
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正義 矢野
Tadao Mimura
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Abstract

PURPOSE:To provide an ion beam of a good quality, excellent in convergence, where limitation of a divergence angle and that of a beam width of the ion beam are satisfied simultaneously in a mass spectrometer. CONSTITUTION:A voltage 12d of a repeller electrode 1f of an electron impact ionizing ion source 1 is input into an ion source state monitor unit 11, which outputs a prediction value 12e of a voltage applied to an extraction electrode 1g to an extraction power source 9. In the extraction electrode system, a slit of an acceleration electrode 1b is made wider than a slit of the extraction electrode 1g, and is set to approximately the same distance as that from the acceleration electrode 1b toward an ion generation region. Consequently, an electric field leaked into an ionizing chamber 1a through the slit of the acceleration electrode 1b is enlarged toward the vicinity of the ion generating region, thus efficiently extracting an ion beam 2 so as to penetrate through the slits of the acceleration electrode 1b and the extraction electrode 1g. A quantity of a current flowing through the slits is measured by an ion current monitor 8a. A voltage 12f of a convergence electrode 1d is regulated in such a manner as to maximize the current.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は質量分析装置に係り、特
に、イオン源から角度分散の小さな高透過率のイオンビ
ームを引き出すのに好適なビーム引出電極系を備えるイ
オン源と質量分析装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly to an ion source and a mass spectrometer equipped with a beam extraction electrode system suitable for extracting an ion beam having a small angular dispersion and a high transmittance. .

【0002】[0002]

【従来の技術】図7に従来の質量分析装置のイオン源及
びビーム引出電極系の断面図を示す。電子衝撃イオン化
イオン源の場合、イオン化室1aで電子の照射を受けて
生成されたイオンは、イオン化室1aより数ボルトだけ
プラス電位が印加されたリペラ電極1fに反発し、加速
電極1bの引出スリット15から押し出される。押し出
されたイオンビーム2はクロスオーバー点2cでクロス
した後に拡散するため、収束電極1cを設けてイオンビ
ーム2を収束すると共に、加速電極1bと接地電極1d
の間で最終的に6kV程度に加速される。その際、効率
良くイオンビーム2を分析部すなわちセクタ磁場及びセ
クタ電場に導くため、収束電極1cの電圧を調整してイ
オンビーム2の幅及び発散角を制御していた。具体的に
は、質量分析装置の立ち上げ時に、ファラデーカップ,
マルチプライアー、又はチャンネルプレートを用いたイ
オン電流モニタ8aをイオンビーム2の通過する領域に
挿入し、出射スリット1eを透過するイオン電流量をイ
オン電流モニタ8aで測定し、この電流信号12aが最
大となるように、収束電極1cに印加する電圧12fを
調整していた。
2. Description of the Related Art FIG. 7 shows a sectional view of an ion source and a beam extraction electrode system of a conventional mass spectrometer. In the case of an electron impact ionization ion source, the ions generated by being irradiated with electrons in the ionization chamber 1a repel the repeller electrode 1f to which a positive potential is applied by a few volts from the ionization chamber 1a, and the extraction slit of the acceleration electrode 1b. Extruded from 15. Since the pushed-out ion beam 2 spreads after crossing at the crossover point 2c, the focusing electrode 1c is provided to focus the ion beam 2, and the acceleration electrode 1b and the ground electrode 1d are also provided.
In the meantime, it is finally accelerated to about 6 kV. At that time, in order to efficiently guide the ion beam 2 to the analysis unit, that is, the sector magnetic field and the sector electric field, the width and divergence angle of the ion beam 2 are controlled by adjusting the voltage of the focusing electrode 1c. Specifically, when starting up the mass spectrometer, the Faraday cup,
An ion current monitor 8a using a multiplier or a channel plate is inserted in a region where the ion beam 2 passes, and the amount of ion current passing through the exit slit 1e is measured by the ion current monitor 8a. The voltage 12f applied to the focusing electrode 1c was adjusted so that

【0003】尚、従来技術に関連するものとして、特開
昭57−27553 号公報がある。
Incidentally, there is JP-A-57-27553 as one related to the prior art.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、一
般に、加速電極1bと収束電極1cの間隔はスリット1
5の幅に比べて10倍程度広く、電極電圧の変化に対す
るビーム2の発散角の変化即ちクロスオーバー点2cの
位置変化は著しく小さい。しかし、質量分析装置の光学
系は、発散角と同時にビーム幅も一定値以内であること
が要求されるため、一つの電極電圧12fしか調整でき
ない従来の電極構造では、発散角とビーム幅の制約を同
時に満足するような調整は困難である。
In the above-mentioned prior art, generally, the gap between the acceleration electrode 1b and the focusing electrode 1c is the slit 1
The width is about 10 times wider than the width of 5, and the change of the divergence angle of the beam 2 with respect to the change of the electrode voltage, that is, the position change of the crossover point 2c is extremely small. However, the optical system of the mass spectrometer is required to have a divergence angle and a beam width within a certain value at the same time. Therefore, in the conventional electrode structure in which only one electrode voltage 12f can be adjusted, the divergence angle and the beam width are restricted. It is difficult to adjust such that

【0005】本発明の目的は、発散角とビーム幅の制約
を同時に満足するような調整が容易な引出電極系を備え
た高感度な質量分析装置及びそのイオン源を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to provide a highly sensitive mass spectrometer equipped with an extraction electrode system which can be easily adjusted so as to simultaneously satisfy the divergence angle and beam width constraints, and an ion source therefor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的は、イオン生成
領域で生成したイオンを加速電極のスリットから引き出
してイオンビームとし、該イオンビームを収束電極で収
束して出射スリットから出射するイオン源において、前
記加速電極のスリットから引き出されたイオンビームの
クロスオーバー点を前記加速電極から所要距離だけ引き
離すための引出電極を、前記加速電極の下流近傍に設け
ることで達成される。
The above object is to provide an ion source in which ions generated in an ion generation region are extracted from a slit of an accelerating electrode into an ion beam, and the ion beam is converged by a converging electrode and emitted from an emission slit. This is achieved by providing an extraction electrode for separating the crossover point of the ion beam extracted from the slit of the acceleration electrode from the acceleration electrode by a required distance in the vicinity of the downstream of the acceleration electrode.

【0007】また、上記目的は、加速電極のスリットよ
り幅の小さいスリットを持つ引出電極を、加速電極とイ
オン生成領域の間の距離と同程度だけ、該加速電極下流
側に離した位置に設けることで達成される。
Further, the above-mentioned object is to provide an extraction electrode having a slit having a width smaller than that of the acceleration electrode at a position which is separated from the acceleration electrode downstream by the same extent as the distance between the acceleration electrode and the ion generation region. Can be achieved.

【0008】また、上記目的は、引出電極に印加する電
圧条件をイオン源の状態に基づいて設定することで達成
される。
The above object can be achieved by setting the voltage condition applied to the extraction electrode based on the state of the ion source.

【0009】[0009]

【作用】従来の構成では加速電極から引き出されたイオ
ンビームは引き出された直後にクロスオーバーしてしま
うため発散角が大きくなってしまったが、本発明では引
出電極を設けることでこのクロスオーバー点の位置を加
速電極から引き離すことができるので、発散角を抑える
ことが可能となり、収束性に優れた良質なイオンビーム
が得られる。また、引出電極に印加する電圧が調整可能
なため、発散角とビーム幅の制約を同時に満足すること
が可能となる。
In the conventional structure, the ion beam extracted from the accelerating electrode crosses over immediately after being extracted, so that the divergence angle becomes large. However, in the present invention, the extraction electrode is provided so that the crossover point is increased. Since the position of can be separated from the accelerating electrode, the divergence angle can be suppressed, and a high-quality ion beam excellent in focusing can be obtained. Moreover, since the voltage applied to the extraction electrode can be adjusted, the divergence angle and the beam width can be satisfied at the same time.

【0010】以下、本発明の原理を図面を用いて説明す
る。図3(a)は電子衝撃イオン化イオン源の電極構成
図、図3(b)はプラズマイオン源の電極構成図であ
り、図中にイオンビームの動きを模式的に示してある。
本発明では、加速電極1bのスリット15の幅と同程度
の距離だけイオン化室1aから下流側に離れた位置に、
補助電極として引出電極1gを設け、イオン源の状態に
基づいてこの引出電極1gの印加電圧を決定する。
The principle of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 (a) is an electrode configuration diagram of the electron impact ionization ion source, and FIG. 3 (b) is an electrode configuration diagram of the plasma ion source, in which the movement of the ion beam is schematically shown.
In the present invention, at a position separated from the ionization chamber 1a to the downstream side by the same distance as the width of the slit 15 of the acceleration electrode 1b,
The extraction electrode 1g is provided as an auxiliary electrode, and the applied voltage to the extraction electrode 1g is determined based on the state of the ion source.

【0011】イオン化室1aのほぼ中央のイオン生成領
域2aで生成されたイオンは、加速電極1bよりも数ボ
ルトだけプラス電圧が印加されたリペラ電極1fに反発
されて、加速電極1b側へ押し出される。しかし、生成
されたイオンの初速度は、熱運動及び電子の衝突のため
乱れており、リペラ電極1fの作る電界だけでは加速電
極1bのスリット15を効率良く透過することができな
い。
The ions generated in the ion generation region 2a at the center of the ionization chamber 1a are repelled by the repeller electrode 1f to which a positive voltage is applied by several volts than the acceleration electrode 1b, and are pushed out toward the acceleration electrode 1b. . However, the initial velocity of the generated ions is disturbed due to thermal motion and collision of electrons, and the electric field generated by the repeller electrode 1f cannot efficiently pass through the slit 15 of the acceleration electrode 1b.

【0012】そこで、本発明では、加速電極1bのスリ
ット15の幅を引出電極1gのスリット16の幅よりも
広くし、加速電極1bの下流側に設けた引出電極1gと
加速電極1bとの距離が、加速電極1bとイオン生成領
域2aとの距離とほぼ等しい距離となるように設定す
る。
Therefore, in the present invention, the width of the slit 15 of the acceleration electrode 1b is made wider than the width of the slit 16 of the extraction electrode 1g, and the distance between the extraction electrode 1g provided on the downstream side of the acceleration electrode 1b and the acceleration electrode 1b. Is set to be approximately equal to the distance between the acceleration electrode 1b and the ion generation region 2a.

【0013】このため、加速電極1bのスリット15か
らイオン化室1a内へ漏れた電界はイオン生成領域2a
近傍まで広がり、イオンビーム2のクロスオーバー点の
位置が引出電極1gの下流側になり、イオンビーム2は
漏れ電界(浸透電界)によって効率良くスリット15か
ら引き出され、引出電極1gのスリット16を透過させ
ることができる。このような浸透電界はスリットから離
れるに従って急速に減衰するため、イオン生成領域2a
内の電界の増加は僅かであり、イオンビーム2のエネル
ギー分散の増加は問題とならない。
Therefore, the electric field leaked from the slit 15 of the acceleration electrode 1b into the ionization chamber 1a is generated in the ion generation region 2a.
It spreads to the vicinity, the position of the crossover point of the ion beam 2 is on the downstream side of the extraction electrode 1g, and the ion beam 2 is efficiently extracted from the slit 15 by the leakage electric field (permeation electric field) and transmitted through the slit 16 of the extraction electrode 1g. Can be made. Since such an osmotic electric field is rapidly attenuated as the distance from the slit is increased, the ion generation region 2a
The increase of the electric field inside is slight, and the increase of the energy dispersion of the ion beam 2 is not a problem.

【0014】一方、図3(b)のプラズマイオン源の場
合には、加速電極1bとプラズマ2bとの間に、デバイ
長の数倍程度のシース領域が形成される。プラズマ2b
は加速電極1bよりも数ボルト〜数十ボルトだけ電位が
上昇し、イオンビーム2を加速電極1b側に効率良く加
速する。この時の電圧をプラズマ浮遊電位といい、プラ
ズマの最も重要なパラメータの一つである電子温度の約
6倍となる。
On the other hand, in the case of the plasma ion source of FIG. 3 (b), a sheath region having a length several times the Debye length is formed between the acceleration electrode 1b and the plasma 2b. Plasma 2b
Has a potential higher than the accelerating electrode 1b by several volts to several tens of volts, and efficiently accelerates the ion beam 2 toward the accelerating electrode 1b. The voltage at this time is called plasma floating potential, which is about 6 times the electron temperature, which is one of the most important parameters of plasma.

【0015】イオンはプラズマの全面から放出されるた
め、加速電極1bのスリット15の幅にほぼ比例したイ
オン電流量が得られる。しかし、スリット15の端部で
は中央付近に比べて球面収差が大きいので、スリット1
5の端部を透過したイオンは、過剰に収束され角度分散
を増大させる。そこで、この過剰な収束を相殺するた
め、イオンビーム2の幅と相似的に引出電極1gのスリ
ット16の幅を狭くする。つまり、スリット15の切角
θに対してスリット16の切角をπ−θとすることによ
り、スリット15の球面収差をスリット16の球面収差
で相殺して全体の球面収差を減少させ、角度分散の小さ
なイオンビーム2を得ることができる。
Since the ions are emitted from the entire surface of the plasma, an ion current amount that is approximately proportional to the width of the slit 15 of the acceleration electrode 1b can be obtained. However, since the spherical aberration is larger at the ends of the slit 15 than in the vicinity of the center, the slit 1
Ions that have passed through the end of 5 are excessively focused and increase the angular dispersion. Therefore, in order to cancel this excessive convergence, the width of the slit 16 of the extraction electrode 1g is narrowed similarly to the width of the ion beam 2. That is, by setting the cut angle of the slit 16 to be π−θ with respect to the cut angle θ of the slit 15, the spherical aberration of the slit 15 is canceled by the spherical aberration of the slit 16, and the overall spherical aberration is reduced, resulting in an angular dispersion. It is possible to obtain an ion beam 2 having a small size.

【0016】図4は、二枚の電極の電極間隔dに対する
焦点距離fの比f/dと、入射エネルギーΦ1に対する
出射エネルギーΦ2の比Φ2/Φ1との関係を示す図で
ある。これを図3(a)の場合に当てはめると、Φ1は
リペラ電極1fと加速電極1bの電位差の1/2に、Φ
2−Φ1は加速電極1bと引出電極1gの電位差に相当
する。焦点距離fが短い場合にはビームの角度分散が増
加して好ましくない。角度分散を小さくするには、焦点
距離fを長くし、ビームが最も細く収束するクロスオー
バーを引出電極1gの下流側に形成する必要がある。定
量的には、Φ2/Φ1<5を満足するように、引出電極
1gに印加する電圧を設定すれば良いことが分かる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the ratio f / d of the focal length f to the electrode spacing d of the two electrodes and the ratio Φ2 / Φ1 of the outgoing energy Φ2 to the incident energy Φ1. When this is applied to the case of FIG. 3A, Φ1 is ½ of the potential difference between the repeller electrode 1f and the acceleration electrode 1b.
2-Φ1 corresponds to the potential difference between the acceleration electrode 1b and the extraction electrode 1g. When the focal length f is short, the angular dispersion of the beam increases, which is not preferable. In order to reduce the angular dispersion, it is necessary to lengthen the focal length f and form a crossover at which the beam converges at its narrowest on the downstream side of the extraction electrode 1g. Quantitatively, it is understood that the voltage applied to the extraction electrode 1g may be set so as to satisfy Φ2 / Φ1 <5.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】図2は本発明の一実施例に係る質量分析装
置の全体構成図であり、図1は本発明によるイオン源の
構成図で、(a)は縦断面を示す図、(b)は(a)の
A−A矢視図である。本実施例の質量分析装置は二重収
束型としてある。イオン源1で生成されたイオンは引き
出されて収束性の優れた良質のイオンビーム2となり、
イオンビーム2は四重極レンズ7aで拡散された後、セ
クタ磁場3で質量分離される。イオンビーム2は質量分
離された後、四重極レンズ7bで収束されセクタ電場4
でエネルギー弁別されて、最終的に質量分離スリット5
を透過したイオン電流が検出器6で測定される。測定結
果は運転制御・計測データ処理部10でマススペクトル
として記憶される。
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a configuration diagram of an ion source according to the present invention, (a) is a diagram showing a longitudinal section, and (b) is a diagram. [Fig. 3] is a view of (a) taken along the line AA. The mass spectrometer of this embodiment is of a double focusing type. Ions generated by the ion source 1 are extracted and become a high-quality ion beam 2 having excellent focusing properties,
The ion beam 2 is diffused by the quadrupole lens 7a and then mass-separated by the sector magnetic field 3. After the ion beam 2 is mass-separated, it is converged by the quadrupole lens 7b and the sector electric field 4
The energy is discriminated by and finally the mass separation slit 5
The ion current that has passed through is measured by the detector 6. The measurement result is stored in the operation control / measurement data processing unit 10 as a mass spectrum.

【0019】本実施例では、イオンビーム引出電極系の
およその電圧条件を自動設定するため、例えば電子衝撃
イオン化イオン源の場合には、リペラ電極電圧12dを
イオン源状態監視部11に入力し、引出電極電圧12g
の予測値12eを引出電源9に出力する。プラズマイオ
ン源の場合には、直接プラズマ浮遊電位を測定すること
は困難であるが、セクタ電場では実際の加速電圧である
加速電極電圧Vacc とプラズマ浮遊電位Vp の和Vacc
+Vp に対する軌道半径Rの関係が数1で表わせること
に着目し、プラズマ浮遊電位Vp を推測することができ
る。
In this embodiment, in order to automatically set the approximate voltage conditions of the ion beam extraction electrode system, for example, in the case of an electron impact ionization ion source, the repeller electrode voltage 12d is input to the ion source state monitoring unit 11, Extraction electrode voltage 12g
The predicted value 12e of 12 is output to the extraction power source 9. In the case of the plasma ion source, it is difficult to directly measure the plasma floating potential, but in the sector electric field, the sum Vacc of the acceleration electrode voltage Vacc and the plasma floating potential Vp, which is the actual acceleration voltage.
The plasma floating potential Vp can be estimated by paying attention to the fact that the relationship of the orbit radius R with respect to + Vp can be expressed by Equation 1.

【0020】[0020]

【数1】 R=2(Vacc+Vp)/E …(数1) ここで、Eはセクタ電場の電界の強さである。## EQU1 ## R = 2 (Vacc + Vp) / E (Equation 1) where E is the strength of the electric field of the sector electric field.

【0021】このようにして求めた引出電極1gの電圧
は良い予測値ではあるが、必ずしも最適値とは限らな
い。そこで、イオン源状態監視部11は、ビームライン
上に設けたイオン電流モニタ8aの電流信号12aを入
力し、電流値が最大となるように引出電極系の電圧を調
整する。
Although the voltage of the extraction electrode 1g thus obtained is a good predicted value, it is not always the optimum value. Therefore, the ion source state monitoring unit 11 inputs the current signal 12a of the ion current monitor 8a provided on the beam line and adjusts the voltage of the extraction electrode system so that the current value becomes maximum.

【0022】図1を用いてイオン源の詳細構造と最も簡
単な引出電極電圧の設定法を説明する。イオン源全体は
分析部のビームラインの真空容器18に電極支持碍子1
7によって設置されており、真空容器14によってイオ
ン源内部が真空に保持されている。図1(b)のA−A
断面に示すように、引出電極1gは上下二枚の板状電極
からなり、加速電極1bは矩形の開口を有する板状電極
である。イオン源状態監視部11はリペラ電極1fの電
圧12dをもとに引出電極1gの電圧12gを設定す
る。次に、スリット15,16を透過した電流量をイオ
ン電流モニタ8aで測定し、この電流が最大となるよう
に、収束電極1cの電圧12fを調整する。尚、図1の
例では、収束電極1c用電源と引出電極1g用電源とし
て引出電源9を共用している。この場合、電極1cと1
gの印加電圧を同じ電圧にしてもかまわない。このよう
にすることで電源の節約が可能となるが、勿論、別々の
電源を用意してもよいことはいうまでもない。
The detailed structure of the ion source and the simplest method for setting the extraction electrode voltage will be described with reference to FIG. The entire ion source is equipped with an electrode support insulator 1 in a vacuum container 18 on the beam line of the analysis unit.
7 and the inside of the ion source is kept in vacuum by the vacuum container 14. A-A in FIG.
As shown in the cross section, the extraction electrode 1g is composed of upper and lower plate-shaped electrodes, and the acceleration electrode 1b is a plate-shaped electrode having a rectangular opening. The ion source state monitoring unit 11 sets the voltage 12g of the extraction electrode 1g based on the voltage 12d of the repeller electrode 1f. Next, the amount of current passing through the slits 15 and 16 is measured by the ion current monitor 8a, and the voltage 12f of the focusing electrode 1c is adjusted so that this current becomes maximum. In the example of FIG. 1, the extraction power supply 9 is shared as the power supply for the focusing electrode 1c and the power supply for the extraction electrode 1g. In this case, electrodes 1c and 1
The applied voltage of g may be the same voltage. By doing so, it is possible to save the power supply, but it goes without saying that separate power supplies may be prepared.

【0023】図5及び図6は、数値シミュレーションに
より本実施例の効果を確認した結果を示す図である。図
5は電子衝撃イオン化イオン源のシミュレーション結果
で、図5(a)は従来のイオン源のシミュレーション結
果である。ここで、加速電極電圧Vacc は6.000k
V、リペラ電極電圧Vr は6.003kV、加速電極の
スリット幅は0.5mmである。イオンは0.01eV相当
の等方的な初速度を持ち、加速電極に近づくにつれてビ
ーム幅が広がるため、加速電極のスリットを透過できな
い成分が存在する。しかも、イオンビームはスリット内
で急激に収束されるため、大きな角度分散を持つことに
なる。収束電極付近ではビーム幅が1mm以上に広がり、
これ以降のビームの収束を困難にしている。このような
状況下においては、イオンビームの電流量を増すために
加速電極のスリット幅を拡大することは有効ではなく、
無効な電流を増やしているに過ぎない。
5 and 6 are diagrams showing the results of confirming the effects of this embodiment by numerical simulation. FIG. 5 is a simulation result of an electron impact ionization ion source, and FIG. 5A is a simulation result of a conventional ion source. Here, the acceleration electrode voltage Vacc is 6.000k.
V, the repeller electrode voltage Vr is 6.003 kV, and the accelerating electrode slit width is 0.5 mm. Ions have an isotropic initial velocity equivalent to 0.01 eV, and the beam width expands as they approach the accelerating electrode, so there is a component that cannot pass through the slit of the accelerating electrode. Moreover, since the ion beam is rapidly converged in the slit, it has a large angular dispersion. The beam width spreads over 1 mm near the focusing electrode,
It makes it difficult to converge the beam thereafter. In such a situation, it is not effective to increase the slit width of the acceleration electrode to increase the current amount of the ion beam,
It just increases the dead current.

【0024】一方、図5(b)の本実施例では、加速電
極のスリット幅を1mm,引出電極のスリット幅を0.5m
m とし、引出電極にはVex=5990Vを印加してい
る。加速電極の幅の広いスリットからイオン生成領域近
傍まで電界がしみ出し、等方的に出射されたイオンを全
て引き出すことに成功している。引出電極1gでの焦点
距離はVexを数ボルト調整するだけで大きく変化し、ビ
ームの角度分散の制御が容易である。これらの理由によ
り、本実施例では、従来に比べて電流量が約2倍,角度
分散が約1/2となることが確認された。また、引出電
極1gのスリット16の幅が狭いため、イオン化室1a
内のガス圧を高く、かつビームライン上の真空度を低く
保てる付加的な効果がある。
On the other hand, in this embodiment of FIG. 5B, the slit width of the acceleration electrode is 1 mm and the slit width of the extraction electrode is 0.5 m.
m, and Vex = 5990V is applied to the extraction electrode. The electric field seeps out from the wide slit of the accelerating electrode to the vicinity of the ion generation region and succeeds in extracting all isotropically emitted ions. The focal length at the extraction electrode 1g changes greatly only by adjusting Vex by several volts, and it is easy to control the angular dispersion of the beam. For these reasons, it was confirmed that in this embodiment, the amount of current is about twice and the angular dispersion is about 1/2 as compared with the conventional one. Further, since the width of the slit 16 of the extraction electrode 1g is narrow, the ionization chamber 1a
There is an additional effect that the internal gas pressure is high and the vacuum degree on the beam line is low.

【0025】図6はプラズマイオン源のシミュレーショ
ン結果で、(a)はプラズマ浮遊電位Vp が30Vの場
合、(b)はVp が60Vの場合、(c)はVp が60
Vで電圧条件を最適に制御した場合をそれぞれ示す。図
6では基準となる加速電極電圧Vacc を6.00kVで
一定とし、Vacc に対するプラズマの浮遊電位をVpで
表している。Vp =30Vの(a)における最適な引出
電極電圧Vexは5.88kVであった。この場合、Vacc
とVexの電位差は120Vである。次に、図6(b)
でVexを固定したままVp を60Vに上昇させると、イ
オンビームは収束しなくなってしまう。そこで、Vp が
30Vから60Vへ2倍に増加したのに対応させて、V
acc とVexの電位差を120Vから240Vへと2倍に
増加させることにより、即ちVexを5.760kV に調
整することにより、図6(c)のように、ほぼ最適に収
束されたイオンビームを得ることができる。
FIG. 6 shows simulation results of the plasma ion source. (A) shows a case where the plasma floating potential Vp is 30V, (b) shows a case where Vp is 60V, and (c) shows a case where Vp is 60V.
Each case where the voltage condition is optimally controlled by V is shown. In FIG. 6, the reference acceleration electrode voltage Vacc is fixed at 6.00 kV, and the floating potential of plasma with respect to Vacc is represented by Vp. The optimum extraction electrode voltage Vex in (a) of Vp = 30V was 5.88 kV. In this case, Vacc
The potential difference between Vex and Vex is 120V. Next, FIG. 6 (b)
Therefore, if Vp is raised to 60V while Vex is fixed, the ion beam will not converge. Therefore, in response to the double increase of Vp from 30V to 60V, Vp
By doubling the potential difference between acc and Vex from 120V to 240V, that is, by adjusting Vex to 5.760kV, an almost optimally focused ion beam is obtained as shown in FIG. 6 (c). be able to.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イオン源の状態を測定することにより容易に角度分散の
小さな大電流イオンビームを得ることが可能となり、質
量分析装置の高感度化が可能となる。
As described above, according to the present invention,
By measuring the state of the ion source, a high-current ion beam with a small angle dispersion can be easily obtained, and the mass spectrometer can be made highly sensitive.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係るイオン源の構成図で、
(a)は縦断面を示す図、(b)は(a)のA−A矢視図
である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an ion source according to an embodiment of the present invention,
(a) is a figure which shows a vertical cross section, (b) is an AA arrow view of (a).

【図2】本発明の一実施例に係る質量分析装置の全体構
成図である。
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明のイオン源による角度分散低減の原理説
明図で、(a)は電子衝撃イオン化イオン源の場合、
(b)はプラズマイオン源の場合を示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of angular dispersion reduction by the ion source of the present invention, in which (a) is an electron impact ionization ion source,
(B) shows the case of a plasma ion source.

【図4】引出電極電圧と焦点距離の関係を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an extraction electrode voltage and a focal length.

【図5】電子衝撃イオン化イオン源の数値シミュレーシ
ョン結果を示す図で、(a)は従来のイオン源の場合、
(b)は本実施例のイオン源の場合を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a numerical simulation result of an electron impact ionization ion source, in which (a) is a conventional ion source;
(B) is a diagram showing a case of the ion source of the present embodiment.

【図6】プラズマイオン源の数値シミュレーション結果
を示す図で、(a)はプラズマ浮遊電位Vp が30Vの
場合、(b)はVp が60Vの場合、(c)はVp が6
0Vで電圧条件を最適に制御した場合を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a numerical simulation result of a plasma ion source. (A) shows a case where the plasma floating potential Vp is 30V, (b) shows a case where Vp is 60V, and (c) shows a case where Vp is 6V.
It is a figure which shows the case where the voltage condition is optimally controlled by 0V.

【図7】従来のイオン源及びビーム引出電極系の断面図
である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional ion source and beam extraction electrode system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…イオン源、1a…イオン化室、1b…加速電極、1
c…収束電極、1d…接地電極、1e…出射スリット、
1f…リペラ電極、1g…引出電極、2…イオンビー
ム、2a…イオン生成領域、2b…プラズマ、2c…ク
ロスオーバー、3…セクタ磁場、4…セクタ電場、5…
質量分離スリット、6…検出器、7a,7b…四重極レ
ンズ、8a…イオン電流モニタ、9…引出電源、10…
運転制御・計測データ処理部、11…イオン源状態監視
部、13…分析部電源。
1 ... Ion source, 1a ... Ionization chamber, 1b ... Accelerating electrode, 1
c ... focusing electrode, 1d ... ground electrode, 1e ... exit slit,
1f ... Repeller electrode, 1g ... Extraction electrode, 2 ... Ion beam, 2a ... Ion generation region, 2b ... Plasma, 2c ... Crossover, 3 ... Sector magnetic field, 4 ... Sector electric field, 5 ...
Mass separation slit, 6 ... Detector, 7a, 7b ... Quadrupole lens, 8a ... Ion current monitor, 9 ... Extraction power supply, 10 ...
Operation control / measurement data processing unit, 11 ... Ion source state monitoring unit, 13 ... Analysis unit power supply.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 忠男 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tadao Mimura 882 Ichige, Ichima, Hitachinaka City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd. Measuring Instruments Division

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】イオン生成領域で生成したイオンを加速電
極のスリットから引き出してイオンビームとし、該イオ
ンビームを収束電極で収束して出射スリットから出射す
るイオン源において、 前記加速電極のスリットから引き出されたイオンビーム
のクロスオーバー点を前記加速電極から所要距離だけ引
き離すための引出電極を、前記加速電極の下流近傍に設
けたことを特徴とするイオン源。
1. An ion source in which ions generated in an ion generation region are extracted from a slit of an accelerating electrode to form an ion beam, and the ion beam is converged by a converging electrode and emitted from an emission slit. An ion source, wherein an extraction electrode for separating a crossover point of the generated ion beam from the acceleration electrode by a required distance is provided in the vicinity of the downstream of the acceleration electrode.
【請求項2】イオン生成領域で生成したイオンを加速電
極のスリットから引き出してイオンビームとし、該イオ
ンビームを収束電極で収束して出射スリットから出射す
るイオン源において、 前記加速電極のスリットより幅の小さいスリットを持つ
引出電極を、前記加速電極と前記イオン生成領域の間の
距離と同程度だけ、該加速電極下流側に離した位置に設
けたことを特徴とするイオン源。
2. An ion source in which ions generated in an ion generation region are extracted from a slit of an accelerating electrode to form an ion beam, and the ion beam is converged by a converging electrode and emitted from an emission slit. 2. An ion source, wherein an extraction electrode having a small slit is provided at a position separated to the downstream side of the acceleration electrode by the same extent as the distance between the acceleration electrode and the ion generation region.
【請求項3】請求項1または請求項2において、前記加
速電極のスリットによりイオンビームが受ける球面収差
を、前記引出電極のスリットによる影響で相殺する構成
としたことを特徴とするイオン源。
3. The ion source according to claim 1 or 2, wherein the spherical aberration received by the ion beam by the slit of the acceleration electrode is offset by the influence of the slit of the extraction electrode.
【請求項4】請求項3において、前記加速電極のスリッ
トの切角θに対して前記引出電極のスリットの切角をπ
−θとすることで球面収差を相殺する構成としたことを
特徴とするイオン源。
4. The cutting angle of the slit of the acceleration electrode is π with respect to the cutting angle θ of the slit of the acceleration electrode.
An ion source having a configuration of canceling spherical aberration by setting −θ.
【請求項5】イオン源で生成したイオンを引出電極系に
より引き出してイオンビームを生成し、電磁場中でイオ
ンの質量固有の軌道に分離することにより特定質量のイ
オン電流量を測定する質量分析装置において、 イオン源として請求項1乃至請求項4の何れかに記載の
イオン源を用いたことを特徴とする質量分析装置。
5. A mass spectrometer for measuring an ion current amount of a specific mass by extracting ions generated by an ion source by an extraction electrode system to generate an ion beam and separating the ions into orbits specific to the mass of the ion in an electromagnetic field. A mass spectrometer, wherein the ion source according to any one of claims 1 to 4 is used as an ion source.
【請求項6】イオン源と,該イオン源から引き出された
イオンビームを拡散する第1四重極レンズと,該第1四
重極レンズで拡散したイオンビームを質量分離するセク
タ磁場器と,該セクタ磁場器で質量分離されたイオンビ
ームを収束する第2四重極レンズと,該第2四重極レン
ズで収束されたイオンビームをエネルギー弁別するセク
タ電場器と,該セクタ電場器の後段に置かれた質量分離
スリットと,該質量分離スリットを透過したイオン電流
を測定する検出器とを備える二重収束型の質量分析装置
において、 前記イオン源として請求項1乃至請求項4の何れかに記
載のイオン源を用いたことを特徴とする質量分析装置。
6. An ion source, a first quadrupole lens for diffusing the ion beam extracted from the ion source, and a sector magnetic field device for mass-separating the ion beam diffused by the first quadrupole lens, A second quadrupole lens for converging the ion beam mass-separated by the sector magnetic field device, a sector electric field for discriminating the energy of the ion beam converged by the second quadrupole lens, and a post-stage of the sector electric field device 5. A double-focusing mass spectrometer, comprising: a mass separation slit placed on a substrate; and a detector for measuring an ion current transmitted through the mass separation slit, wherein the ion source is any one of claims 1 to 4. A mass spectrometer using the ion source according to 1.
【請求項7】請求項5または請求項6において、前記イ
オン源の電圧条件から前記引出電極に印加する電圧条件
を設定することを特徴とする質量分析装置。
7. The mass spectrometer according to claim 5, wherein the voltage condition applied to the extraction electrode is set from the voltage condition of the ion source.
【請求項8】請求項7において、前記イオン源が電子衝
撃イオン化イオン源で、該イオン源で生成されたイオン
を引出電極側に押し出すリペラ電極の電圧に基づいて、
引出電極に印加する電圧条件を設定することを特徴とす
る質量分析装置。
8. The ion source according to claim 7, wherein the ion source is an electron impact ionization ion source, and based on the voltage of the repeller electrode that pushes out the ions generated by the ion source to the extraction electrode side,
A mass spectrometer characterized by setting a voltage condition applied to an extraction electrode.
【請求項9】請求項7において、イオンビームライン上
に設置したイオン電流モニタの測定値に基づいて引出電
極の電圧条件を調整し、イオン電流量が最大になる電圧
条件に修正することを特徴とする質量分析装置。
9. The method according to claim 7, wherein the voltage condition of the extraction electrode is adjusted based on the measured value of the ion current monitor installed on the ion beam line, and the voltage condition is adjusted to maximize the ion current amount. Mass spectrometer.
【請求項10】請求項7において、前記イオン源がプラ
ズマイオン源で、プラズマ浮遊電位に基づいて引出電極
に印加する電圧条件を設定することを特徴とする質量分
析装置。
10. The mass spectrometer according to claim 7, wherein the ion source is a plasma ion source and a voltage condition to be applied to the extraction electrode is set based on a plasma floating potential.
【請求項11】請求項10において、前記プラズマ浮遊
電位を電磁場中のイオンの回転半径を用いて求めること
を特徴とする質量分析装置。
11. The mass spectrometer according to claim 10, wherein the plasma floating potential is obtained by using a radius of gyration of ions in an electromagnetic field.
【請求項12】イオン源で生成したイオンを引出電極系
により引き出してイオンビームを生成し、該イオンビー
ムを電磁場中を通過させることにより特定質量のイオン
を検出する質量分析装置において、 前記引出電極系は、前記イオン源からイオンを引き出す
ためのスリットを有する加速電極と、 該加速電極の下流近傍に設けられ、該加速電極のスリッ
トから引き出されたイオンビームのクロスオーバー点を
該加速電極から所要距離だけ引き離すための引出電極と
を備えたことを特徴とする質量分析装置。
12. A mass spectrometer for detecting ions having a specific mass by extracting ions generated by an ion source by an extraction electrode system to generate an ion beam and allowing the ion beam to pass through an electromagnetic field. The system is provided with an accelerating electrode having a slit for extracting ions from the ion source, and is provided in the vicinity of the downstream of the accelerating electrode, and requires a crossover point of the ion beam extracted from the accelerating electrode slit from the accelerating electrode. A mass spectrometer, comprising: an extraction electrode for separating by a distance.
【請求項13】イオン生成領域で生成したイオンを引出
電極系により引き出してイオンビームを生成し、該イオ
ンビームを電磁場中を通過させることにより特定質量の
イオンを検出する質量分析装置において、 前記引出電極系は、前記イオン生成領域からイオンを引
き出すためのスリットを有する加速電極と,該加速電極
のスリットより幅の小さいスリットを有する引出電極と
を備え、 前記加速電極と前記イオン生成領域の間の距離と同程度
だけ、前記加速電極の下流側に離れた位置に前記引出電
極を設けたことを特徴とする質量分析装置。
13. A mass spectrometer for detecting ions having a specific mass by extracting ions generated in an ion generation region by an extraction electrode system to generate an ion beam and allowing the ion beam to pass through an electromagnetic field. The electrode system includes an acceleration electrode having a slit for extracting ions from the ion generation region, and an extraction electrode having a slit having a width smaller than the slit of the acceleration electrode, and between the acceleration electrode and the ion generation region. The mass spectrometer, wherein the extraction electrode is provided at a position that is separated from the acceleration electrode by a distance substantially equal to the distance.
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